基于Autoform的机罩...板稳健性工艺优化与回弹补偿_冉奥阳.pdf

第 48 卷 第 6 期Vol.48 No.6FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 6 月Jun.2023基于 Autoform 的机罩内板稳健性工艺优化与回弹补偿冉奥阳,龚 熙,王大鹏,蒋 磊,谢玉庭,陈俊伟(东风本田汽车有限公司 新车型中心,湖北 武汉 430056)摘要:为了改善车身覆盖件稳健性差和回弹不良等问题,以某车型机罩内板为研究对象,结合产品特点采用 CAD/CAE 协同手段设计了精细化 3D 模面,并通过 Autoform 成形及回弹仿真对冲压工艺方案进行评价。首先,以回弹量为目标函数,以减薄率为约束条件,以压边力为可控设计变量进行了均分单因素试验,并对不可控噪音因素进行了稳健性评价。最后,对稳健性工艺优化结果采用节点位移和几何补偿结合的方法进行了回弹补偿,通过数字孪生对比了实物扫描和虚拟仿真的差异。结果表明:稳健性工艺优化及回弹补偿相结合的方式具备良好的可靠性和准确性,首轮样件精度达到 95.2%,与仿真结果的一致性可达到 94.9%,有效地减少了试模次数和时间。关键词:机罩内板;稳健性;回弹补偿;数字孪生;压边力优化DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.06.009中图分类号:TG386 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)06-0061-08Robustness process optimization and springback compensation for hood inner panel based on AutoformRan Aoyang,Gong Xi,Wang Dapeng,Jiang Lei,Xie Yuting,Chen Junwei(New Model Center,Dongfeng Honda Automobile Co.,Ltd.,Wuhan 430056,China)Abstract:In order to improve the problems of poor robustness and poor springback for automobile body panels,for the hood inner panel,combined with the product characteristics,a fined 3D die surface was designed by CAD&CAE collaboration method,and the stamping process scheme was evaluated by forming and springback simulation with Autoform.Firstly,taking the springback amount as the objective function,taking the thinning rate as the constraint condition,and taking the blank holder force as the controllable design variable,the homo-geneous single factor test was carried out,and the robustness evaluation of uncontrollable noise factors was conducted.Finally,the springback compensation for the robust process optimization results was performed by combining node displacement and geometric compensation,and the difference between physical scanning and virtual simulation was compared by digital twin.The results show that the combination of robustness process optimization and springback compensation has good reliability and accuracy.The accuracy of the first round sample reaches 95.2%,and the consistency with the simulation results reaches 94.9%,which effectively reduces the number and time of testing.Key words:hood inner panel;robustness;springback compensation;digital twin;optimization of blank holder force收稿日期:2022-08-27;修订日期:2022-11-23基金项目:国家自然科学基金面上项目(51975439)作者简介:冉奥阳(1993-),男,硕士,工程师E-mail:523214576 随着轻量化车身技术的发展和汽车制造技术的更迭,客户对整车燃油经济性和产品外观品质也提出了更高要求,因此,车身拓扑优化减重和生产稳定性是主机厂降低生产成本、提高自身竞争力的关键1-3。机罩内板基于轻量化、行人保护和整车NVH 性能提升考虑,具有尺寸大、料厚薄、减重孔多和结构布局复杂的特点,常见缺陷包括开裂、起皱和回弹,因此,机罩内板的成形稳定性和回弹控制的研究意义重大4-6。近年来,随着回弹理论分析和数值模拟技术的发展,传统的“试模法”正在逐渐被先进的有限元模拟替代,国内外专家学者已取得显著突破。孙刚等7针对机罩外板采用全工序全型面补偿准确地完成了回弹预测,削减了 60%的调试工作量;薛颖等8针对铝合金天窗采用整体和局部相结合的回弹补偿策略,结合模具流入量控制有效地提高了 22%的产品合格率;闫华军等9针对铝合金地板梁采用工艺参数优化和迭代补偿相结合的方法,有效地控制了最大回弹量,将虚实对比差异控制在 12.1%以内。上述文献主要以减小回弹量为目标进行确定性工艺参数优化,并通过型面补偿保证产品回弹后满足尺寸要求。但实际冲压生产过程中不可避免地受到噪音因素波动的影响,传统的确定性工艺优化的稳健性未知,导致产品的质量指标波动可能超过允许的公差范围。因此,冲压工艺稳健性优化和回弹控制逐渐成为制约车身覆盖件质量提升的核心要素。本文以某车型机罩内板作为研究对象,以减小回弹量为目标,以最大减薄率为约束条件,对可控工艺参数压边力设计均分单因素试验进行确定性优化;对影响实际冲压生产的不可控噪音因素进行回弹稳健性闭环验证;针对稳健性回弹分析结果采用节点位移补偿10和几何补偿11相结合的方法进行数据重构及回弹补偿反算验证;最终,通过数字孪生对比实物光学扫描与虚拟回弹仿真分析结果差异,验证回弹分析补偿方案的可靠性和准确性,为大型车身覆盖件稳健性回弹控制奠定重要的工程应用基础。1 产品工艺设计某车型机罩内板产品结构如图 1 所示,整体尺寸为 1631 mm1114 mm213 mm,板厚为 0.5 mm。图 2 机罩内板工艺设计(a)OP10(b)OP20(c)OP30(d)截面 A-A(e)截面 B-B(f)C 处放大图Fig.2 Process design of hood inner panel(a)OP10(b)OP20(c)OP30(d)Section A-A(e)Section B-B(f)Enlarged view of C图 1 机罩内板结构示意图Fig.1 Schematic diagram of hood inner panel structure基于车身减重、行人保护及发动机舱隔音考虑,产品拓扑优化设计了 6 个投影面积超过 0.02 m2的减重孔。基于铰链面和锁扣面强度及装配关系限制,且产品断面局部设计复杂、深度大、产品圆角多,决定了零件成形及回弹控制难度大。本文材料牌号为 JAC270D-45/45,实际工况下供货的材料力学性能如表 1 所示。表 1 机罩内板材料力学性能Table 1 Material mechanical properties of hood inner panel参数屈服强度ReL/MPa抗拉强度Rm/MPa伸长率A/%塑性应变比r加工硬化指数n数值167315411.930.21 结合产品特点进行冲压工艺性分析和精细化 3D模面设计,如图 2 所示。由于机罩内板成形深度大、结构复杂且圆角多,为便于回弹控制,型面区域采用 1 次拉延成形,减重孔工艺补充设定 34 mm 的沉台台阶面;为便于包边面精度调整、改善局部修边条件,沿周包边面区域(截面 A-A)采用先过拉延(过拉延量为 2 mm)后整形的工艺;为改善锁扣和胶条密封面附近成形深度大且易出现拉延开裂的情况,拉延压料面(截面 B-B)设计时,锁扣处凹模提前 20 mm 触料,增加闭合前模具型腔内的存料线长;为提高材料利用率,坯料采用弧形材落料加工,风挡处(C 处)采用开口拉延工艺(图 2a),沿周(风挡侧除外)流入量 30 mm 以内区域采用拉延槛。综合质量控制及制造成本,机罩内板采用OP10 拉延、OP20 修边冲孔、OP30 修边整形冲孔的26锻压技术 第 48 卷3 工序成形工艺方案。2 数值模拟及工艺参数优化2.1 初步数值模拟将机罩内板全工序精细化模面 CAD 数据导入Autoform 成形仿真软件,基于工艺设计示意图建立全工序有限元仿真模型,如图 3 所示。其中,OP10拉延工序工具体包括凸模、压边圈和凹模,OP20 修边冲孔工序工具体包括凸模、压料板和修边/冲孔刀块,OP30 修边整形冲孔工序工具体包括凸模、压料板、修边和整形刀块,回弹工序工具体包括参考体、支撑面和基准销。结合原型车实际生产工况设定工艺约束条件,其中循环时间为 6 s,摩擦因数为 0.15,拉延压边圈行程为115 mm,压边力为1500 kN,20 mm 有效压料面强压设定,工具体刚度为30 MPamm-1以反映较好的研合状态,压料类型选择“Spring Con-trolled”,单元类型选择弹塑性壳单元“EPS-11”。图 3 机罩内板有限元模型(a)OP10 拉延(b)OP20 修边冲孔(c)OP30 修边整形冲孔(d)真实回弹测量Fig.3 Finite element model of hood inner panel(a)Drawing of OP10(b)Trimming and punching of OP20(c)Trimming,shaping and punching of OP30(d)Real springback measurement 基于 Autoform 非线性隐式算法求解器对钣金成形和回弹过程进行收敛迭代仿真计算,机罩内板成形过程借助仿真动画逐步确认,成形和回弹结果利用成形极限图、减薄率变化云图和回弹云图等进行多维度评估12。图 4 为机罩内板的成形和回弹仿真结果,结果表明:前风挡侧壁最大减薄率达到减薄极限为 24.6%,最大失效为 0.941。对照成形极限图(图 4c)确认该区域为平面应变状态成形风险区,存在开裂风险。对照回弹云图(图 4d),公差定义(01.0)mm 区域内,隔音垫装配面(区域 A)面低 Min 1.159 mm,一般面(区域 B)面低 Min 0.965 mm,风挡侧包边面(区域C)面低 Min 1.080 mm;公差定义(00.5)mm 区域内,机罩搭接侧包边面(区域 D)面高 Max 0.853 mm,前大灯侧包边面(区域 E)面高 Max 1.179 mm,前保险杠侧包边面(区域 F)面高 Max 0.730 mm。可见,产品尺寸精度多处无法满足公差要求。2.2 工艺参数优化实际冲压生产过程中遵循低成本、高效率的生产原则,可控工艺参数如冲压速度、摩擦因数、模具间隙等受设备要件及成本优化限制,工艺设计阶段尽量避免特殊调整。因此,本文重点研究拉延压边力工艺参数,以消除机罩内板开裂、改善机罩内板回弹的问题。基于前述初始模拟压边力 P=1500 kN 条件下的回弹云图,以减小隔音垫装配面及包边面回弹量 S为目标函数,其表达式如式(1)所示:36第 6 期冉奥阳等:基于 Autoform 的机罩内板稳健性工艺优化与回弹补偿 图 4 机罩内板的成形及回弹结果(a)减薄率变化云图(b)最大失效(c)成形极限图(d)回弹云图Fig.4 Formability and springback results of hood inner panel(a)Nephogram of thinning rate change(b)Maximum failure(c)Forming limit diagram(d)Neghogram of springbackS=1MMi=1ri(1)式中:M 为图 4d 中 A F 各匹配区域对应的个数;ri为区域 i 的回弹量极值超差量,i=1,M,其表达式如式(2)所示:ri=Max(|Sex|-,0)(2)式中:Sex为图 4d 中 A F 各区域的回弹量极值;为公差极限尺寸。以风挡侧壁最大减薄率 T 为约束条件,其值不应超过平面应变状态下成形极限的 24.00%,以拉延压边力 P 为设计变量,结合压机气垫能力及零件特点,设计均分单因素试验,并展开工艺参数优化,如表 2 所示。借助 Autoform 软件系统性工艺优化(Systematic Process Improvement)模块进行设计变量优化仿真,仿真结果数据根据式(1)式(2)计算整理后,如表 3 和图 5 所示。由图 5a 可知,机罩内板前风挡侧壁处减薄率随压边力增大而不断增大,压边力控制在 1480 kN 以下时,机罩内板前风挡侧壁减薄率可控制在24.00%表 2 优化分析的设计变量Table 2 Design variables of optimization analysis目标函数约束条件设计变量最大减薄率 T压边力 P/kN标准值最小值最大值步距式(1)T24.00%15008002000100以内,无开裂风险。机罩内板隔音垫装配面和沿周包边面回弹量无法通过压边力调整全部优化至公差内,仅能一定程度上改善回弹问题;隔音垫装配面(区域 A)、机罩搭接侧包边面(区域 D)、前大灯侧包边面(区域 E)的回弹量对压边力波动不敏感,仅随压边力变化小幅波动;压边力在 800 1900 kN 变化区间时,一般面(区域 B)负向回弹量随着压边力的增大显著恶化;风挡侧包边面(区域 C)和前保险杠侧包边面(区域 F)回弹量随着压边力的增大先改善后恶化。基于以上回弹量随着压边力的变化特点,由图 5b 可知,回弹量优化目标函数 S 随着压边力的增大呈现先降低后升高的趋势,在压边力为 1200 kN时存在确定性最46锻压技术 第 48 卷表 3 有限元仿真及计算结果Table 3 Results of finite element simulation and calculation设计变量压边力 P/kN约束条件最大减薄率 T/%回弹量/mmSex-ASex-BSex-CSex-DSex-ESex-F目标函数S/mm8005.60-0.863-0.203-1.7490.6320.7940.5081.1839006.10-1.088-0.466-1.6350.5830.7650.6301.20110006.20-1.160-0.619-1.4210.6460.9350.5951.25711006.60-1.201-0.674-1.0040.7460.8540.5480.853120010.70-1.163-0.656-0.8140.6380.8680.5010.670130014.20-1.205-0.751-0.8720.7370.9470.6651.054140018.00-1.126-0.919-1.0650.7850.9850.6591.120150024.50-1.159-0.965-1.0800.8531.1790.7301.50116027.50-1.160-1.014-1.0590.7971.0520.6731.255170029.40-1.092-1.017-1.0920.9141.0310.7801.426180031.30-1.143-1.075-0.9640.7831.0211.0871.609190036.30-1.303-1.371-1.0060.8221.0311.2162.249200043.50-0.838-0.605-1.4131.1761.0191.2762.384图 5 工艺参数优化结果(a)压边力与减薄率和回弹量的关系(b)目标函数变化趋势Fig.5 Optimization results of process parameters(a)Relation between blank holder force and thinning ratio and springback amount(b)Change trend of objective function优解,与压边力为 1500 kN 的初始模拟状态相比,解决了前风挡开裂问题,显著改善了零件的回弹。3 稳健性分析及回弹补偿验证3.1 稳健性分析实际冲压生产过程中,不可控噪音因素的合理波动(如材料性能、板料偏移等)是不可避免的。因此,工艺参数优化确定性最优解可能出现稳健性不足,无法保证产品质量指标始终在允许范围内波动。图 6 中,f 为表征产品质量的目标函数,x 为不可控工艺参数,x 为工艺参数合理波动范围,a 为工艺参数确定性最优解,fa为产品质量波动范围。如图 6a 所示,当工艺参数在点 a附近波动时,若产品质量波动范围 fa超出约束条件,则工艺参数结果非稳健解。如图 6b 所示,若产品质量波动 fa在约束条件内,则工艺参数结果具备稳健性13。结合实际冲压生产工况和数据统计结果,工艺参数和材料参数等不可控噪音因素在标称值附近以正态分布形态波动。因此,本文借助 Autoform 软件的稳健性工艺优化(Robust Process Improvement)模块进行噪音变量稳健性仿真,噪音变量设定如表 4所示,闭环验证确定性最优解(压边力 P=1200 kN)回弹量和减薄率的工艺稳健性,仿真结果如图 7 所示。56第 6 期冉奥阳等:基于 Autoform 的机罩内板稳健性工艺优化与回弹补偿 图 6 确定性优化的稳健性判断(a)非稳健解(b)稳健解Fig.6 Robustness judgment of deterministic optimization(a)Non-robustness solution(b)Robustness solution表 4 稳健性分析的噪音变量Table 4 Noise variables of robustness analysis 参数噪音变量标称值波动区间标准差工艺参数压边力/kN1200102013803.33%摩擦因数0.150.1350.1583.33%工具体刚度/(MPamm-1)3010503.33%材料参数投料位置 X/mm0-333.333投料位置 Y/mm0-333.333屈服强度/MPa1671421923.33%抗拉强度/MPa3152683623.33%材料厚度/mm0.500.440.563.33%由图 7a 可知,机罩内板前风挡侧壁处减薄率随不可控噪音变量在 5.4%15.4%区间波动,其他区域的最大减薄率为 19.9%,均在安全裕度内,具有良好的成形稳健性。由图 7b 可知,机罩内板公差定义(01.0)mm 区域内,隔音垫装配面(区域 A)、一般面(区域 B)和风挡侧包边面(区域 C)均随不可控噪音变量波动,最大波动范围位于风挡侧包边面(区域 C)Max 0.633 mm,小于公差带 2 mm,甚至是半公差带 1 mm;公差图 7 稳健性分析结果(a)成形稳健性(b)回弹稳健性Fig.7 Robustness analysis results(a)Robustness of forming(b)Robustness of springback定义(00.5)mm 区域内,机罩搭接侧包边面(区域 D)、前大灯侧包边面(区域 E)和前保险杠侧包边面(区域 F),均随不可控噪音变量波动,最大波动范围位于机罩搭接侧包边面(区域D)Max 0.374 mm,小于公差带 1 mm,甚至是半公差带 0.5 mm,具有极佳的回弹稳健性。上述研究验证了机罩内板确定性最优解(压边力 P=1200 kN)亦为稳健解。3.2 回弹分析及补偿验证采用工艺参数优化能在一定程度上改善零件的回弹,但无法完全消除回弹,因此,本文采用回弹补偿方案进一步控制回弹。机罩内板各工序真实回弹状态如图 8a 所示,全工序回弹量逐渐改善,OP20 修边冲孔工序的回弹量相比 OP10 拉延工序在区改善明显,Max 1.230 mm,OP30 修边整形冲孔工序的回弹量相比 OP20 修边冲孔工序在区沿周包边面改善明显,Max 1.548 mm。通过工序间的回弹量变化和工序内容对比,拟定合理的回弹补偿策略,如图 8b 所示,区从隔音垫装66锻压技术 第 48 卷图 8 回弹分析(a)、回弹补偿(b)及回弹验证(c)Fig.8 Springback analysis(a),springback compensation(b)and springback validation(c)配面、前风挡包边面区域到铰链面、锁扣面区域以隆起 Max 1.2 mm 进行全工序几何补偿渐变过渡;区沿周包边面区域,基于节点位移法通过反复迭代最终以回弹量 1 1.2 对 OP30 整形刀块进行回弹补偿,其中,前保险杠降低 Max 0.6 mm,前大灯降低 Max 1.0 mm,机罩搭接侧降低 Max 0.75 mm。将回弹补偿重构后的 CAD 模面进行全工序回弹仿真,如图 8c 所示,隔音垫装配面、一般面及沿周包边面的回弹量均能满足产品尺寸要求。4 试验验证基于回弹补偿数据展开冲压模具设计、加工和试模,最终得到无开裂风险的合格零件。本文为保证实物验证结果的可靠性,规避工艺参数及不可控噪音因素的影响,依托数字孪生概念,首先,对比验证实物拉延流入量与前期虚拟仿真值吻合,差异在 5 mm 以内,结果如图 9a 所示。采用光学扫描仪对首轮样件进行实物扫描,耦合对比结果如图 9b 和 图 9c 所 示,整 体 尺 寸 合 格 率 达 到95.2%;以比面积法对比 CAE 模拟回弹量与实物零件扫描结果,在差异量 0.5 mm 以内测点达到94.9%,主要差异体现在前大灯包边面和锁扣面上方侧壁一般面区域,差异率仅 5.1%。结果表明,本文研究的稳健性工艺优化与回弹补偿相结合的方式能有效地改善大型车身覆盖件回弹问题,减少模具实物阶段的试模次数和时间。5 结论(1)以回弹量为目标函数,以减薄率为约束条件,以压边力为可控设计变量进行均分单因素试验,回弹优化目标函数在压边力为 1200 kN 时存在确定性最优解,可解决初始前风挡开裂问题,并显著改善零件回弹。(2)不可控噪音因素稳健性分析表明,确定性最优解压边力 1200 kN 亦为稳健解,采用节点位移和几何补偿法进行回弹补偿可达到产品尺寸要求。(3)通过虚实差异对比,本文机罩内板稳健性工艺优化及回弹补偿结合的方式具备良好的可靠性和准确性,可有效地减少试模次数及时间,对车身覆盖件回弹控制奠定重要的工程应用基础。76第 6 期冉奥阳等:基于 Autoform 的机罩内板稳健性工艺优化与回弹补偿 图 9 实物验证结果(a)流入量(b)尺寸精度报告(c)实物扫描和虚拟仿真的差异Fig.9 Results of real part validation(a)Draw-in amount(b)Dimension precision report(c)Differences between physical scanning and virtual simulation参考文献:1 张健,闫巍,王刚,等.铝合金车门外板冷冲压成形工艺及数值模拟 J.塑性工程学报,2022,29(5):45-52.Zhang J,Yan W,Wang G,et al.Cold stamping process and nu-merical 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